4.4. Теоретические основы рентеноструктурного анализа
Единственным методом, который позволяет определить пространственные координаты большинства атомов биологических макромолекул (как правило, всех, кроме атомов водорода), является рентгеноструктурный анализ.
Он применим к тем биологическим макромолекулам, которые могут быть получены в виде кристаллов достаточно большого размера, по крайней мере несколько десятых долей миллиметра. Для биополимеров, имеющих вытянутую периодическую пространственную структуру, например для двунитевых спиральных структур нуклеиновых кислот, геометрические параметры, описывающие основные элементы структуры, могут быть получены исследованием дифракции рентгеновских лучей на ориентированных нитях этих биополимеров. На рис. 4.15 представлена одна из лауэграмм литиевой соли ДНК [7].
Рис. 4.15. Лауэграмма от текстуры Li-ДНК
Именно подобные данные, полученные для нитей ДНК английскими учеными Уилкинсоном и Розалинд Франклин, позволили Уотсону и Крику предложить пространственную структуру ДНК в виде двойной спирали (см. гл. 1).
В более простых случаях на пленке получается типичная картина (рис. 4.16) [8], состоящая из системы точек, соответствующих по направлению условиям уравнения (4.1).
Рис. 4.16. Лауэграмма миоглобина
Расположение этих точек дает возможность с помощью уравнения (4.1) определить векторы а, b, с, т.е. тип и параметры кристаллической решетки.
Возможность получения белка, нуклеиновой кислоты или их комплексов в виде кристаллов достаточно высокого качества является основным ограничением на пути исследования пространственной структуры биологических полимеров.
Меняя направление падающего излучения (практически это делается поворотом кристалла), можно получить сведения о рассеянных пучках для всевозможных кристаллографических плоскостей. Измеряемой величиной для каждого пучка является интенсивность рассеянного излучения, либо определяемая по почернению пленки, либо измеряемая счетчиком.
Одним из факторов, осложняющих кристаллизацию, является неизбежное возникновение в растворе конвекционных потоков. В связи с этим серьезные надежды на улучшение процедур кристаллизации возлагаются на выращивание кристаллов в условиях невесомости на орбитальных космических станциях.
Пример кристаллов белков, полученных в обычных лабораторных условиях, представлен на рис. 4.17 [8].
Рис. 4.17. Кристаллы белков. а – тригональный инсулин, б – тетрагональный лизоцим, в – гексагональная альдолаза, г – кубический глюкагон